任務(wù)1-半導體的識別及檢測

任務(wù)1-半導體的識別及檢測第一頁，共31頁。二、教學組織理論+實踐教學三、教學方法教師引導，學生分組討論，教師提出問題，學生分組討論解決問題四、考核評價任務(wù)考核，項目考核+綜合測試五、課外輔導第二頁，共31頁。任務(wù)1半導體的識別及檢測任務(wù)2常用儀器儀表的使用任務(wù)3放大電路的分析設(shè)計任務(wù)4集成運算電路的分析設(shè)計項目一模擬電路的設(shè)計第三頁，共31頁。

物質(zhì)按導電能力的不同可分為導體、半導體和絕緣體3類。導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導體。目前用來制造半導體器件的材料大多是指純凈的單晶型半導體，主要有硅(Si)、鍺(Ge)和砷化鎵（GaAs)等。

任務(wù)1半導體的識別及檢測第四頁，共31頁。

半導體之所以得到廣泛的應(yīng)用，是因為它具有以下特性。

一、認識半導體的獨特性能

由此可以看出：半導體不僅僅是電導率與導體有所不同，而且具備上述特有的性能，正是利用這些特性，使今天的半導體器件取得了舉世矚目的發(fā)展。（1）通過摻入雜質(zhì)可明顯地改變半導體的電導。（2）溫度可明顯地改變半導體的電導率。（3）光照不僅可改變半導體的電導率，還可以產(chǎn)生電動勢，這就是半導體的光電效應(yīng)。第五頁，共31頁。二、本征半導體與雜質(zhì)半導體1、天然的硅和鍺提純后形成單晶體，稱為本征半導體一般情況下，本征半導體中的載流子濃度很小，其導電能力較弱，且受溫度影響很大，不穩(wěn)定，因此其用途還是很有限的。硅和鍺的簡化原子模型。這是硅和鍺構(gòu)成的共價鍵結(jié)構(gòu)示意圖晶體結(jié)構(gòu)中的共價鍵具有很強的結(jié)合力，在熱力學零度和沒有外界能量激發(fā)時，價電子沒有能力掙脫共價鍵束縛，這時晶體中幾乎沒有自由電子，因此不能導電第六頁，共31頁。本征激發(fā)動畫演示第七頁，共31頁。+4+4+4+4本征半導體的導電機理自由電子空穴束縛電子

可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復合，如圖所示。激發(fā)復合本征激發(fā)和復合的過程第八頁，共31頁。

當半導體的溫度升高或受到光照等外界因素的影響時，某些共價鍵中的價電子因熱激發(fā)而獲得足夠的能量，因而能脫離共價鍵的束縛成為自由電子，同時在原來的共價鍵中留下一個空位，稱為“空穴”?？昭ㄗ杂呻娮颖菊靼雽w中產(chǎn)生電子—空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。

共價鍵中失去電子出現(xiàn)空穴時，相鄰原子的價電子比較容易離開它所在的共價鍵填補到這個空穴中來，使該價電子原來所在的共價鍵中又出現(xiàn)一個空穴，這個空穴又可被相鄰原子的價電子填補，再出現(xiàn)空穴，如右圖所示。在半導體中同時存在自由電子和空穴兩種載流子參與導電，這種導電機理和金屬導體的導電機理具有本質(zhì)上的區(qū)別。第九頁，共31頁。雜質(zhì)離子產(chǎn)生的自由電子不是共價鍵中的價電子，因此與本征激發(fā)不同，它不會產(chǎn)生空穴。由于多余的電子是雜質(zhì)原子提供的，故將雜質(zhì)原子稱為施主原子。摻入五價元素的雜質(zhì)半導體，其自由電子的濃度遠遠大于空穴的濃度，因此稱為電子型半導體，也叫做N型半導體。在N型半導體中，自由電子為多數(shù)載流子（簡稱多子），空穴為少數(shù)載流子（簡稱少子）。

2、雜質(zhì)半導體相對金屬導體而言，本征半導體中載流子數(shù)目極少，因此導電能力仍然很低。在如果在其中摻入微量的雜質(zhì)，將使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化，我們把這些摻入雜質(zhì)的半導體稱為雜質(zhì)半導體。雜質(zhì)半導體可以分為N型和P型兩大類。

N型半導體第十頁，共31頁。+4+4+5+4N型半導體多余電子磷原子第十一頁，共31頁。不論是N型半導體還是P型半導體，雖然都有一種載流子占多數(shù)，但晶體中帶電粒子的正、負電荷數(shù)相等，仍然呈電中性而不帶電。應(yīng)注意：P型半導體

在P型半導體中，由于雜質(zhì)原子可以接收一個價電子而成為不能移動的負離子，故稱為受主原子。

摻入三價元素的雜質(zhì)半導體，其空穴的濃度遠遠大于自由電子的濃度，因此稱為空穴型半導體，也叫做P型半導體。在硅（或鍺）晶體中摻入微量的三價元素雜質(zhì)硼（或其他），硼原子在取代原晶體結(jié)構(gòu)中的原子并構(gòu)成共價鍵時，將因缺少一個價電子而形成一個空穴。當相鄰共價鍵上的電子受到熱振動或在其他激發(fā)條件下獲得能量時，就有可能填補這個空穴，使硼原子得電子而成為不能移動的負離子；而原來的硅原子共價鍵則因缺少一個電子，出現(xiàn)一個空穴。于是半導體中的空穴數(shù)目大量增加?？昭ǔ蔀槎鄶?shù)載流子，而自由電子則成為少數(shù)載流子。

第十二頁，共31頁。+4+4+3+4空穴P型半導體硼原子第十三頁，共31頁。正負空間電荷在交界面兩側(cè)形成一個由N區(qū)指向P區(qū)的電場，稱為內(nèi)電場，它對多數(shù)載流子的擴散運動起阻擋作用，所以空間電荷區(qū)又稱為阻擋層。同時，內(nèi)電場對少數(shù)載流子起推動作用，把少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運動稱為漂移運動。

三、PN結(jié)

P型和N型半導體并不能直接用來制造半導體器件。通常是在N型或P型半導體的局部再摻入濃度較大的三價或五價雜質(zhì)，使其變?yōu)镻型或N型半導體，在P型和N型半導體的交界面就會形成PN結(jié)。PN結(jié)是構(gòu)成各種半導體器件的基礎(chǔ)。

左圖所示的是一塊晶片，兩邊分別形成P型和N型半導體。為便于理解，圖中P區(qū)僅畫出空穴（多數(shù)載流子）和得到一個電子的三價雜質(zhì)負離子，N區(qū)僅畫出自由電子（多數(shù)載流子）和失去一個電子的五價雜質(zhì)正離子。根據(jù)擴散原理，空穴要從濃度高的P區(qū)向N區(qū)擴散，自由電子要從濃度高的N區(qū)向P區(qū)擴散，并在交界面發(fā)生復合(耗盡），形成載流子極少的正負空間電荷區(qū)如圖中間區(qū)域，這就是PN結(jié)，又叫耗盡層。第十四頁，共31頁。空間電荷區(qū)

PN結(jié)中的擴散和漂移是相互聯(lián)系，又是相互矛盾的。在一定條件（例如溫度一定）下，多數(shù)載流子的擴散運動逐漸減弱，而少數(shù)載流子的漂移運動則逐漸增強，最后兩者達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定下來，PN結(jié)就處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

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+PN結(jié)的形成演示根據(jù)擴散原理，空穴要從濃度高的P區(qū)向N區(qū)擴散，自由電子要從濃度高的N區(qū)向P區(qū)擴散，并在交界面發(fā)生復合(耗盡），形成載流子極少的正負空間電荷區(qū)（如上圖所示），也就是PN結(jié)，又叫耗盡層。

P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)第十五頁，共31頁。少子漂移

擴散與漂移達到動態(tài)平衡形成一定寬度的PN結(jié)多子擴散

形成空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場

促使阻止第十六頁，共31頁。擴散運動和漂移運動相互聯(lián)系又相互矛盾，擴散使空間電荷區(qū)加寬，促使內(nèi)電場增強，同時對多數(shù)載流子的繼續(xù)擴散阻力增大，但使少數(shù)載流子漂移增強；漂移使空間電荷區(qū)變窄，電場減弱，又促使多子的擴散容易進行。繼續(xù)討論當漂移運動達到和擴散運動相等時，PN結(jié)便處于動態(tài)平衡狀態(tài)?？梢韵胂?，在平衡狀態(tài)下，電子從N區(qū)到P區(qū)擴散電流必然等于從P區(qū)到N區(qū)的漂移電流，同樣，空穴的擴散電流和漂移電流也必然相等。即總的多子擴散電流等于總的少子漂移電流，且二者方向相反。

在無外電場或其他因素激發(fā)時，PN結(jié)處于平衡狀態(tài)，沒有電流通過，空間電荷區(qū)的寬度一定。

由于空間電荷區(qū)內(nèi)，多數(shù)載流子或已擴散到對方，或被對方擴散過來的多數(shù)載流子復合掉了，即多數(shù)載流子被耗盡了，所以空間電荷區(qū)又稱為耗盡層，其電阻率很高，為高阻區(qū)。擴散作用越強，耗盡層越寬。

PN結(jié)具有電容效應(yīng)。結(jié)電容是由耗盡層引起的。耗盡層中有不能移動的正、負離子，各具有一定的電量，當外加電壓使耗盡層變寬時，電荷量增加，反之，外加電壓使耗盡層變窄時，電荷量減小。這樣耗盡層中的電荷量隨外加電壓變化而改變時，就形成了電容效應(yīng)。

第十七頁，共31頁。第十八頁，共31頁。1）PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)具有單向?qū)щ姷奶匦?，也是由PN結(jié)構(gòu)成的半導體器件的主要工作機理。PN結(jié)外加正向電壓（也叫正向偏置）時，如左下圖所示：正向偏置時外加電場與內(nèi)電場方向相反，內(nèi)電場被削弱，多子的擴散運動大大超過少子的漂移運動，N區(qū)的電子不斷擴散到P區(qū)，P區(qū)的空穴也不斷擴散到N區(qū)，形成較大的正向電流，這時稱PN結(jié)處于導通狀態(tài)。第十九頁，共31頁。4.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄P接正、N接負外電場IF

內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導通狀態(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++動畫+–ＥＲ第二十頁，共31頁。P端引出極接電源負極，N端引出極電源正極的接法稱為反向偏置；反向偏置時內(nèi)、外電場方向相同，因此內(nèi)電場增強，致使多子的擴散難以進行，即PN結(jié)對反向電壓呈高阻特性；反偏時少子的漂移運動雖然被加強，但由于數(shù)量極小，反向電流

IR一般情況下可忽略不計，此時稱PN結(jié)處于截止狀態(tài)。

PN結(jié)的“正偏導通，反偏阻斷”稱為其單向?qū)щ娦再|(zhì)，這正是PN結(jié)構(gòu)成半導體器件的基礎(chǔ)。

第二十一頁，共31頁。PN結(jié)變寬2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場

內(nèi)電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IRP接負、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。動畫PN結(jié)加反向電壓時，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止狀態(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－+–ＥＲ第二十二頁，共31頁。4.2PN結(jié)4.2.1PN結(jié)的形成多子的擴散運動內(nèi)電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體

內(nèi)電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。

擴散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。空間電荷區(qū)也稱PN結(jié)

擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－動畫形成空間電荷區(qū)第二十三頁，共31頁。4.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?4第二十四頁，共31頁。PN結(jié)反向偏置時的情況25第二十五頁，共31頁。第二十六頁，共31頁。陰極引線陽極引線二氧化硅保護層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)

點接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型圖1–12半導體二極管的結(jié)構(gòu)和符號4.3

半導體二極管二極管的結(jié)構(gòu)示意圖陰極陽極(

d

)

符號D第二十七頁，共31頁。4.3.2伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通。

外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性特點：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+

反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。第二十八頁，共31頁。4.3.3主要參數(shù)1.

最大整流電流

IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.

反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。3.

反向峰值電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ?/p>